アルゴリズムとプログラミング (Algorithms and Programming) 第４回：オブジェクト指向の考え方 •オブジェクト指向的な問題解決法とは •UML (Unified Modeling Language) •オブジェクトの設計図：クラス •クラスとインスタンス •オブジェクト指向３大原則 継承 カプセル化 ポリモーフィズム 講義資料等： http://www.pe.titech.ac.jp/~watanabe/lecture/ap/index-j.html オブジェクト指向とは？ これまで（オブジェクト指向以前）： コンピュータ(CPU)が扱えるデータ型と演算 をまず考え、人間が解決したい問題をそれ に合わせて解釈し直し、プログラム言語に変 換する。 機械中心主義 オブジェクト指向プログラミングの理想 人間が解決したい問題から、その問題を解く ために必要となる概念（対象）を抽出し定義 する。問題解決はその“対象“への”操作”に 対象＝ 帰着。機械の都合は２の次。 オブジェクト 人間中心主義 問題設定例１：猫をメインキャラク ターとするペット育成シミュレーショ ンソフトの開発 この課題では、猫キャラクターが 重要な鍵を握る 猫 どんな属性に 注目するか 属性＝観察す べき特性 猫 顔デザイン 毛の色 体重 どんな振る舞 いをするか 猫オブジェクトの定義 猫 観察すべき特性 顔デザイン 毛の色 体重 独特の振る舞い 鳴く() 食べる() 遊ぶ() 属性 (attribute) 操作 (operation) オブジェクト ＝ 属性 ＋ 操作 これらを定義する作業を モデリングという オブジェクトの設計図＝クラス 猫 クラス名 猫 猫 顔デザイン 毛の色 体重 顔デザイン 毛の色 体重 属性 鳴く() 食べる() 遊ぶ() 操作 これらは全てクラス図 オブジェクトの生成 設計図(クラス)の属性と操作に値を与えて 具体化したもの＝オブジェクト インスタンス化するという ３つの記法：どれも可 ミケ：猫 顔デザイン 毛の色：三色 体重：2400g オブジェクト図 オブジェクト名：クラス名 ：クラス名 オブジェクト名 クラスとオブジェクトの関係 猫 クラス(設計図) 顔デザイン 毛の色： 体重： オブジェクト 属性と操作に 具体的な値を 与えて生成 された実体 クロ：猫 ミケ：猫 トラ：猫 顔デザイン 毛の色：黒色 体重：1500g 顔デザイン 毛の色：三色 体重：2400g 顔デザイン 毛の色：トラ柄 体重：3000g クロ：猫 オブジェクトは猫クラスのインスタンスである クラスの階層構造 動物 汎化 一般的 抽象的 脊椎動物 スーパークラス 哺乳類 矢印の向きは 汎化する向き 相対的な階層関係 クラス図 サブクラス 猫 個別的 具体的 オブジェクト図 クロ：猫 ミケ：猫 トラ：猫 顔デザイン 毛の色：黒色 体重：1500g 顔デザイン 毛の色：三色 体重：2400g 顔デザイン 毛の色：トラ柄 体重：3000g 特化 オブジェクト指向の表記法 UML (Unified Modeling Language) : 統一されたモデリングの方法論と表記法 クラス図 オブジェクト図 ユースケース図 ステートチャート図 シーケンス図 アクティビティ図 コラボレーション図 コンポーネント図 配置図 Java言語と直接の関係はないが オブジェクト指向用語や概念の 標準であり、Java言語にも基本部分が 取り入れられている。 世の中を、これらのチャート図を 用いて表現(モデリング)し、最終段階 でJavaのクラスやオブジェクトの関係 として設計、プログラムを作成し、 問題を解決する。 クラス同士の関係 関連(association) えさをあげる 猫 人間 じゃれる クラス同士の関係 ロール(role) えさをあげる 人間 飼い主 ペット 猫 クラス同士の関係 多重度 (multiplicity) 人間 表記法 0..3 0から3まで 1..* 1以上 1,5,7 1か5か7 １ 猫から見て飼い主としての人間が１人で あることが保証された状況をモデリング しかし、家族の複数名が飼い主と見なせ る可能性を考慮すれば → １．．＊ 自転車 １ １．．＊ 猫 飼い主は猫を複数飼うことができる 一般に０も許せば → ０．．＊ ２ 車輪 クラス同士の関係 限定子(qualifier) １ 人間 1 えさをあげる 名前 複数の猫を名前で限 定することで、多重度 を１対１にできる 猫 クラスが別のクラスで構成 集約(aggregation) ゾウ 動物園 キリン ライオン 部分要素が集まり全体を構成 クラスが別のクラスで構成 コンポジション集約(composition) 天板 机 脚 部品だけでは意味をなさない場合 オブジェクト指向３原則：継承 猫クラスは、哺乳類クラスを継承している スーパークラス 哺乳類 すべての属性と 操作を受け継ぐ 体重 食べる() 母乳で育てる() 例外無し！ 矢印の向きは 汎化する向き サブクラス 猫クラス 独自の属性 猫クラス 独自の操作 UML表記 猫 体重 毛の色 食べる() 母乳で育てる() 鳴く() 遊ぶ() 哺乳類から継承した属性 哺乳類から継承した操作 省 略 可 継承と集約の区別 哺乳類 継承： is-a 関係 （猫は哺乳類である） （ゾウは動物園である） 犬 集約： has-a 関係 猫 人 動物園 ゾウ キリン ライオン オブジェクト指向３原則：カプセル化 クラス図 猫 顔デザイン 毛の色 体重 鳴く() 食べる() 遊ぶ() 属性 (attribute) 操作 (operation) カプセル化 他のクラスの属性や操作 と厳格に区別するための しくみ。 カプセル化の実現： 可視性(visibility) 猫 顔デザイン 毛の色 体重 鳴く() 食べる() 遊ぶ() 属性 それぞれがどの範囲から見えるかを定義 (可視性のレベル) 操作 private： 同クラスからのみ参照可能(-) protected: 継承関係にあるクラス からも参照可能(#) public: 全てのクラスから参照可能(+) 可視性の表記（ー，＃，＋） 乗り物 -スピード #スピードを変える() #スピードを表示する() 飛行機 -高度 #離陸する() #着陸する() #高度を表示する() 全てサブクラスへ継承される 飛行機クラスでは、継承していても スピード属性を参照できない。 → スピードを表示する()操作を使う 抽象クラス：オブジェクトを生成できないクラス 乗り物 -スピード #スピードを変える() #スピードを表示する() 飛行機 -高度 #離陸する() #着陸する() #高度を表示する() クラス名をイタリックにすると 抽象クラス 乗り物クラスのインスタンスは 存在しないことが保証される 飛行機クラスでは、依然として スピードを表示する()操作は必須 であり、乗り物クラスは使われる。 オブジェクト指向３原則：ポリモーフィズム （多態性：オブジェクトは１つだが複数の形を持っていること） 乗り物 飛行機 ジェット機 ジェット機クラスのインスタン スを、乗り物オブジェクトとして 扱うことができる。 自動車 プロペラ機 ジェット機は飛行機でも あり、乗り物でもある ジェット機クラスのインスタン スに対する操作を、乗り物に 対する操作として記述できる このような記述の仕方に どんなメリットがあるの？ 乗り物 #動力を始動する() 飛行機 自動車 #動力を始動する() ジェット機 #動力を始動する() #動力を始動する() プロペラ機 #動力を始動する() 操作名は同じだ が、実際の操作 内容はそれぞれ 異なる ジェット機クラスのインスタンスを生成する ：ジェット機 このインスタンスを乗り物オブジェクトと見なす （乗り物オブジェクト変数に格納する） ：乗り物 変数名：乗り物１ 動力を始動する()メッセージを送る 乗り物１.動力を始動する() 乗り物オブジェクトの操作が呼び出 されるように記述されているが、自動 的にジェット機オブジェクトに対する 操作が呼び出される この記法は、ジェット機に限ら ず、プロペラ機にも自動車にも、 将来的に追加される乗り物に もそのまま変更なく使える。 上位概念（スーパークラス）オブジェクトに対する操作と して記述しておくと、サブクラスの細かい修正や追加な どに対して強いプログラムになる（保守性が高い） ジェット機クラスのインスタンスを生成する ：ジェット機 このインスタンスをジェット機オブジェクト変数に格納する） ：ジェット機 変数名：ジェット機１ 動力を始動する()メッセージを送る ジェット機１.動力を始動する() この記法では、プロペラ機や自動車、さらには将来的に 追加される乗り物に対しては、そのままでは使えない。 ポリモーフィズムのまとめ ポリモーフィズム(polymorphism)の意味： １つのオブジェクトが複数の形を持つ ← 継承により実現 ポリモーフィズムの活用の仕方： 上位概念（スーパークラス）への操作として表現する （プログラムを記述する） その効果： サブクラスの細かい修正や追加などに対して強い （保守性が高い）プログラムになる オブジェクト指向プログラミングの有効性！ まとめ •オブジェクト指向的な問題解決法とは •UML (Unified Modeling Language) •オブジェクトの設計図：クラス •クラスとインスタンス •オブジェクト指向３大原則 継承 カプセル化 ポリモーフィズム
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